JP3070957B2 - 表面硬化チタン材料およびチタン材料の表面硬化方法 - Google Patents
表面硬化チタン材料およびチタン材料の表面硬化方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、チタン材料の表面硬度を高めた表面硬化
チタン材料、特に人が身につけて使用する装飾品（装身
具）や時計外装品に適した表面硬化チタン材料、および
それを得るためのチタン材料の表面硬化方法に関するも
のである。
チタン材料、特に人が身につけて使用する装飾品（装身
具）や時計外装品に適した表面硬化チタン材料、および
それを得るためのチタン材料の表面硬化方法に関するも
のである。
背景技術 従来の主にチタンからなる材料は硬度が低いため表面
に傷がつきやすく、耐摩耗性も不充分であった。そのた
め、例えば純チタンの材料を時計外装材料として使用し
た場合、長期間にわたって優れた外観品質を保つことが
困難であった。そこで、このチタン材料の表面を硬化さ
せる方法も種々検討されている。
に傷がつきやすく、耐摩耗性も不充分であった。そのた
め、例えば純チタンの材料を時計外装材料として使用し
た場合、長期間にわたって優れた外観品質を保つことが
困難であった。そこで、このチタン材料の表面を硬化さ
せる方法も種々検討されている。
従来のチタン材料の表面硬化方法としては、表面を酸
化処理又は窒化処理する方法があるが、それによって得
られる酸化物層あるいは窒化物層は、非常に脆くかつ衝
撃に弱いため、剥離しやすいという問題点を含んでい
た。また、他の方法としてチタン材料の表面に硬質クロ
ムメッキを施す方法もあるが、廃液処理の問題があっ
た。
化処理又は窒化処理する方法があるが、それによって得
られる酸化物層あるいは窒化物層は、非常に脆くかつ衝
撃に弱いため、剥離しやすいという問題点を含んでい
た。また、他の方法としてチタン材料の表面に硬質クロ
ムメッキを施す方法もあるが、廃液処理の問題があっ
た。
また、特開平２−250951号公報には、チタン材料の表
面にニッケル（Ni），鉄（Fe），コバルト（Co）などを
設置して、チタン（Ti）とそれぞれの金属との共晶温度
以上に加熱し、チタン材料の表面を硬化させる方法が提
案されている。
面にニッケル（Ni），鉄（Fe），コバルト（Co）などを
設置して、チタン（Ti）とそれぞれの金属との共晶温度
以上に加熱し、チタン材料の表面を硬化させる方法が提
案されている。
しかし、この方法では液相が出現するため、後工程で
表面に残存する反応生成物を除去するのに苦慮する。ま
た人が身につけて使用する装飾品（装身具）や時計外装
品として、このチタン材料を使用する場合には、皮膚と
表面処理されたチタン材料とが直接接触するため、金属
表面に存在するニッケル，鉄，コバルトなどが皮膚に対
して金属アレルギーを引き起こす可能性があった。
表面に残存する反応生成物を除去するのに苦慮する。ま
た人が身につけて使用する装飾品（装身具）や時計外装
品として、このチタン材料を使用する場合には、皮膚と
表面処理されたチタン材料とが直接接触するため、金属
表面に存在するニッケル，鉄，コバルトなどが皮膚に対
して金属アレルギーを引き起こす可能性があった。
あるいはまた、特開昭56−146875号公報には、酸化ア
ルミニウム（Al2O3）粉末中にチタン材料を埋没させ、
大気雰囲気下で加熱保持し、チタン材料の表面に酸化硬
化層とその下に窒素が固溶した緻密層を形成させ、表面
硬度と耐エロージョン性を向上させる方法が提案されて
いる。
ルミニウム（Al2O3）粉末中にチタン材料を埋没させ、
大気雰囲気下で加熱保持し、チタン材料の表面に酸化硬
化層とその下に窒素が固溶した緻密層を形成させ、表面
硬度と耐エロージョン性を向上させる方法が提案されて
いる。
しかし、この方法はチタン材料の表面に酸化硬化層を
形成することが目的であり、大気中で熱処理するため、
チタン材料の周囲に酸化アルミニウム粉末が存在しても
雰囲気中の酸素による酸化が激しく起こり、表面のチタ
ン酸化物硬化層の厚み制御および酸素固溶量の制御をす
ることが困難である。そのため、酸化物硬化層の厚み増
大による剥離および酸素固溶量の増大による材料の脆性
劣化を引き起す可能性があった。
形成することが目的であり、大気中で熱処理するため、
チタン材料の周囲に酸化アルミニウム粉末が存在しても
雰囲気中の酸素による酸化が激しく起こり、表面のチタ
ン酸化物硬化層の厚み制御および酸素固溶量の制御をす
ることが困難である。そのため、酸化物硬化層の厚み増
大による剥離および酸素固溶量の増大による材料の脆性
劣化を引き起す可能性があった。
しかも、粒径が50μｍ以上の酸化アルミニウム粉末を
用いるため、チタン材料との接触が不均一になり、表面
硬化層はまだら状に形成され、気孔性のある剥離しやす
い硬化孔になるという問題もあった。
用いるため、チタン材料との接触が不均一になり、表面
硬化層はまだら状に形成され、気孔性のある剥離しやす
い硬化孔になるという問題もあった。
さらに、特開昭63−195258号公報には、炭酸カルシウ
ム（CaCO3）粉末を充填した容器中にチタン材料をつめ
こみ、酸素分圧を10-2気圧以下に減圧した後、容器を密
閉し、その容器を900℃以上1200℃以下で加熱保持して
チタン材料の表面に浸炭層と酸素拡散層を形成させ、表
面硬化を向上させる方法が提案されている。
ム（CaCO3）粉末を充填した容器中にチタン材料をつめ
こみ、酸素分圧を10-2気圧以下に減圧した後、容器を密
閉し、その容器を900℃以上1200℃以下で加熱保持して
チタン材料の表面に浸炭層と酸素拡散層を形成させ、表
面硬化を向上させる方法が提案されている。
しかし、この方法では浸炭層と酸素拡散層の他に表層
に酸化カルシウム（CaO）の多孔質層が形成され、チタ
ン材料本来の金属色を失ってしまう。
に酸化カルシウム（CaO）の多孔質層が形成され、チタ
ン材料本来の金属色を失ってしまう。
また、処理温度が900℃以上であるため、実質的に結
晶粒成長が発生し、材質的な劣化と表面荒れを行き起こ
す可能性があった。さらに、炭酸カルシウム粉末の熱分
解ガスを利用するため、チタン材料の投入量に対する炭
酸カルシウム粉末投入量の規定や、容器構造およびその
耐圧設計に細心の注意を払わなければ、工業的に安定し
た製品を安全且つ効率良く製造できない等の問題もあっ
た。
晶粒成長が発生し、材質的な劣化と表面荒れを行き起こ
す可能性があった。さらに、炭酸カルシウム粉末の熱分
解ガスを利用するため、チタン材料の投入量に対する炭
酸カルシウム粉末投入量の規定や、容器構造およびその
耐圧設計に細心の注意を払わなければ、工業的に安定し
た製品を安全且つ効率良く製造できない等の問題もあっ
た。
この発明は、上記のような種々の問題を解決するため
になされたものであり、チタン材料の表面が剥離するよ
うなことなく、表面の硬度を均一に向上させ、表面の耐
磨耗性の向上および傷つき防止が充分にでき、また金属
アレルギーを引き起こすことが少ない表面硬化チタン材
料を提供すること、およびそれを得るためのチタン材料
の表面硬化方法を提供することを目的とする。
になされたものであり、チタン材料の表面が剥離するよ
うなことなく、表面の硬度を均一に向上させ、表面の耐
磨耗性の向上および傷つき防止が充分にでき、また金属
アレルギーを引き起こすことが少ない表面硬化チタン材
料を提供すること、およびそれを得るためのチタン材料
の表面硬化方法を提供することを目的とする。
発明の開示 上記目的を達成するために、この発明による表面硬化
チタン材料は、純チタン材料の表面付近に、表面から内
部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２
の相、Ti3 Alからなる第３の相、Ti3 AlとTiからなる第
４の相の純に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が
順次傾斜的に低くなるように形成されている。
チタン材料は、純チタン材料の表面付近に、表面から内
部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２
の相、Ti3 Alからなる第３の相、Ti3 AlとTiからなる第
４の相の純に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が
順次傾斜的に低くなるように形成されている。
あるいは、チタン材料の表面付近に、表面から内部へ
TiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２の
相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiからなる第４の
相の順に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が順次
傾斜的に低くなるように形成され、酸素の濃度も上記表
面から内部へ順次傾斜的に低くなるように形成されてい
る。
TiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２の
相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiからなる第４の
相の順に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が順次
傾斜的に低くなるように形成され、酸素の濃度も上記表
面から内部へ順次傾斜的に低くなるように形成されてい
る。
また、この発明によるチタン材料の表面硬化方法は、
純チタン材料の表面にチタン−アルミニウム合金粉末の
みを接触させて加熱処理し、純チタン材料の表面付近
に、表面から内部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3A
lからなる第２の相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとT
iからなる第４の相を順に、純チタンに対するアルミニ
ウムの濃度が順次傾斜的に低くなるように形成する。
純チタン材料の表面にチタン−アルミニウム合金粉末の
みを接触させて加熱処理し、純チタン材料の表面付近
に、表面から内部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3A
lからなる第２の相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとT
iからなる第４の相を順に、純チタンに対するアルミニ
ウムの濃度が順次傾斜的に低くなるように形成する。
その場合、純チタン材料の表面に接触させるチタン−
アルミニウム合金粉末は、そのアルミニウムの濃度比率
が30at％（原子％）以上70at％（原子％）以下であるの
が好ましい。
アルミニウム合金粉末は、そのアルミニウムの濃度比率
が30at％（原子％）以上70at％（原子％）以下であるの
が好ましい。
また、そのチタン−アルミニウム合金粉末の平均粒径
は、30μｍ以下であるのが好ましい。
は、30μｍ以下であるのが好ましい。
そして、加熱処理の温度は800℃〜900℃であるのがよ
い。
い。
この発明によるチタン材料の表面硬化方法は、純チタ
ン材料の表面に酸化アルミニウム（Al2O3）粉末のみを
接触させて加熱処理し、純チタン材料の表面付近に、表
面から内部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alから
なる第２の相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiから
なる第４の相を順に、純チタンに対するアルミニウムの
濃度が順次傾斜的に低くなるように形成し、酸素の濃度
も上記表面さら内部へ順次傾斜的に低くなるように形成
するようにしてもよい。
ン材料の表面に酸化アルミニウム（Al2O3）粉末のみを
接触させて加熱処理し、純チタン材料の表面付近に、表
面から内部へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alから
なる第２の相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiから
なる第４の相を順に、純チタンに対するアルミニウムの
濃度が順次傾斜的に低くなるように形成し、酸素の濃度
も上記表面さら内部へ順次傾斜的に低くなるように形成
するようにしてもよい。
この方法では、上記の酸化アルミニウム粉末は、チタ
ン材料の表面にTi−Al系金属間化合物と、チタンに対す
るアルミニウムおよび酸素濃度勾配を表面から内部へ傾
斜的に低くなるように形成させるためのアルミニウムお
よび酸素の供給源となるものである。
ン材料の表面にTi−Al系金属間化合物と、チタンに対す
るアルミニウムおよび酸素濃度勾配を表面から内部へ傾
斜的に低くなるように形成させるためのアルミニウムお
よび酸素の供給源となるものである。
この場合の加熱処理をする雰囲気は、減圧またはアル
ゴン（Ar）やヘリウム（He）ガスなどの不活性雰囲気で
あるのが好ましい。
ゴン（Ar）やヘリウム（He）ガスなどの不活性雰囲気で
あるのが好ましい。
また、チタン材料の表面に接触させる酸化アルミニウ
ム粉末の平均粒径は、0.1μｍ以上50μｍ以下であるの
がよい。さらに、同じ平均粒径でも粒度分布の半値幅が
広い方が好ましく、さらに好ましくは、粒度分布が正規
分布に近い分布であることが好ましい。
ム粉末の平均粒径は、0.1μｍ以上50μｍ以下であるの
がよい。さらに、同じ平均粒径でも粒度分布の半値幅が
広い方が好ましく、さらに好ましくは、粒度分布が正規
分布に近い分布であることが好ましい。
そして、加熱処理の温度が酸化アルミニウム粉末の焼
結開始温度以下であるのがよい。
結開始温度以下であるのがよい。
この発明による表面硬化チタン材料は、ネックレスや
イヤリングなどの装飾品や時計外装品などの材料に適し
ている。
イヤリングなどの装飾品や時計外装品などの材料に適し
ている。
図面の簡単な説明 第１図はこの発明による表面硬化チタン材料の第１実
施形態の表面付近を拡大して示す模式図である。
施形態の表面付近を拡大して示す模式図である。
第２図はこの発明による表面硬化チタン材料の第２実
施形態の表面付近を拡大して示す模式図であり、第１実
施形態に酸素（Ｏ）の濃度勾配が存在するものである。
施形態の表面付近を拡大して示す模式図であり、第１実
施形態に酸素（Ｏ）の濃度勾配が存在するものである。
発明を実施する最良の形態 次に、この発明の実施形態を詳細に説明する。
〔表面硬化チタン材料の第１の実施形態〕 この発明による表面硬化チタン材料の第１の実施形態
は、純チタン材料の表面付近に、チタン−アルミニウム
系金属間化合物が、そのアルミニウムの濃度が表面から
内部へ傾斜的に低くなるように形成されている表面硬化
チタン材料である。
は、純チタン材料の表面付近に、チタン−アルミニウム
系金属間化合物が、そのアルミニウムの濃度が表面から
内部へ傾斜的に低くなるように形成されている表面硬化
チタン材料である。
すなわち、第１図に示すように、この表面硬化チタン
材料１は、純チタン材料の表面付近に、表面1aから内部
1fへ向かって、1b,1c,1d,1eで示すように複数の異なる
チタン−アルミニウム系金属間化合物相が形成されてい
る。
材料１は、純チタン材料の表面付近に、表面1aから内部
1fへ向かって、1b,1c,1d,1eで示すように複数の異なる
チタン−アルミニウム系金属間化合物相が形成されてい
る。
その第１の相1bはTiAlからなり、アルミニウムの比率
が最も高い。第２の相1cはTiAlとTi3Alからなり、アル
ミニウムの比率が次に高い。第３の相1dはTi3Alからな
り、アルミニウムの比率は第２の相1cより低い。第４の
相1eはTi3AlとTiからなり、アルミニウムの比率は最も
低い。それより内部1fは純チタン（Ti）である。
が最も高い。第２の相1cはTiAlとTi3Alからなり、アル
ミニウムの比率が次に高い。第３の相1dはTi3Alからな
り、アルミニウムの比率は第２の相1cより低い。第４の
相1eはTi3AlとTiからなり、アルミニウムの比率は最も
低い。それより内部1fは純チタン（Ti）である。
なお、これらの各チタン−アルミニウム系金属間化合
物相1b,1c,1d,1eは明確に区別できるものではなく、無
段階的に変化して、純チタンに対するアルミニウムの濃
度が表面1aから内部1fへ傾斜的に低くなるように形成さ
れている。
物相1b,1c,1d,1eは明確に区別できるものではなく、無
段階的に変化して、純チタンに対するアルミニウムの濃
度が表面1aから内部1fへ傾斜的に低くなるように形成さ
れている。
このように構成した表面硬化チタン材料は、表面1aが
TiAl相となるため表面高度が飛躍的に向上する。しか
も、その表面付近の材質が急激に変化していないので、
表面が剥離を起こすようなことがなく、表面1aのTiAl相
は人の皮膚に接しても金属アレルギーを起こすことが殆
どない。
TiAl相となるため表面高度が飛躍的に向上する。しか
も、その表面付近の材質が急激に変化していないので、
表面が剥離を起こすようなことがなく、表面1aのTiAl相
は人の皮膚に接しても金属アレルギーを起こすことが殆
どない。
〔チタン材料の表面硬化方法の第１の実施形態〕 この発明によるチタン材料の表面硬化方法の第１の実
施形態は、純チタン材料の表面にチタン−アルミニウム
（Ti−Al）合金粉末のみを接触させて加熱し、Ti−Al合
金粉末中のチタンおよびアルミニウムをチタン材料の表
面から内部へ傾斜的に拡散させ、チタン材料の表面付近
に、第１図に示した第１〜第４の相1b,1c,1d,1eからな
るチタン−アルミニウム系金属間化合物の相を順に、そ
のアルミニウムの濃度が表面から内部へ順次傾斜的に低
くなるように形成する。
施形態は、純チタン材料の表面にチタン−アルミニウム
（Ti−Al）合金粉末のみを接触させて加熱し、Ti−Al合
金粉末中のチタンおよびアルミニウムをチタン材料の表
面から内部へ傾斜的に拡散させ、チタン材料の表面付近
に、第１図に示した第１〜第４の相1b,1c,1d,1eからな
るチタン−アルミニウム系金属間化合物の相を順に、そ
のアルミニウムの濃度が表面から内部へ順次傾斜的に低
くなるように形成する。
この方法により、前述の表面硬化チタン材料を得るこ
とができる。
とができる。
さらに加熱処理温度を高めるかあるいは加熱処理時間
を延長させることにより、表面近傍のアルミニウム濃度
が上昇すると、アルミニウムのチタン中への固溶状態か
ら、金属間化合物であるTi3AlとTiAl相等が生成し、硬
度が飛躍的に増加する。
を延長させることにより、表面近傍のアルミニウム濃度
が上昇すると、アルミニウムのチタン中への固溶状態か
ら、金属間化合物であるTi3AlとTiAl相等が生成し、硬
度が飛躍的に増加する。
また、Ti−Al合金粉末の組成において、アルミニウム
量を増加させると、チタン材料の表面近傍のアルミニウ
ム濃度が増加するため、粉末組成に応じてチタン材料の
表面近傍に生成する相を制御できる。
量を増加させると、チタン材料の表面近傍のアルミニウ
ム濃度が増加するため、粉末組成に応じてチタン材料の
表面近傍に生成する相を制御できる。
ここで、Ti−Al合金粉末の代わりにチタンを含まない
アルミニウム粉末をチタン材料の表面に接触させた場合
には、アルミニウム粉末の融点は約660℃と比較的低い
ために、加熱処理温度に制約が設けられ、充分な硬化層
を得ることができない。
アルミニウム粉末をチタン材料の表面に接触させた場合
には、アルミニウム粉末の融点は約660℃と比較的低い
ために、加熱処理温度に制約が設けられ、充分な硬化層
を得ることができない。
また、アルミニウム粉末の融点以上の温度で加熱処理
した場合には、加熱処理後の溶融したアルミニウムをチ
タン材料から除去するのが非常に困難になる。
した場合には、加熱処理後の溶融したアルミニウムをチ
タン材料から除去するのが非常に困難になる。
したがって、融点の高いTi−Al合金粉末を使用するこ
とにより、アルミニウム粉末を使用した場合より高温で
加熱処理を行なうことができる。また、α安定化元素で
あるアルミニウムは、鉄（Fe），ニオブ，（Nb），クロ
ム（Cr）などのβ安定化元素に比べて、容易に金属間化
合物相を形成しやすい。
とにより、アルミニウム粉末を使用した場合より高温で
加熱処理を行なうことができる。また、α安定化元素で
あるアルミニウムは、鉄（Fe），ニオブ，（Nb），クロ
ム（Cr）などのβ安定化元素に比べて、容易に金属間化
合物相を形成しやすい。
加熱処理の条件として、加熱処理温度800℃以上900℃
以下であることが好ましい。800℃以下で加熱処理を行
なうと、チタン材料の表面へのアルミニウムの拡散が不
充分となり、Ti3Al相が殆ど生成しない。また、加熱処
理温度が900℃を越えると、Ti−Al合金粉末の焼結が進
行し、加熱処理後のTi−Al合金粉末の除去に苦慮する。
以下であることが好ましい。800℃以下で加熱処理を行
なうと、チタン材料の表面へのアルミニウムの拡散が不
充分となり、Ti3Al相が殆ど生成しない。また、加熱処
理温度が900℃を越えると、Ti−Al合金粉末の焼結が進
行し、加熱処理後のTi−Al合金粉末の除去に苦慮する。
さらに、加熱処理時の雰囲気は、真空に近い減圧雰囲
気またはアルゴン，ヘリウムガスなどの不活性雰囲気で
あることが望ましい。
気またはアルゴン，ヘリウムガスなどの不活性雰囲気で
あることが望ましい。
用いるTi−Al合金粉末の組成としては、チタン材料の
表面へのアルミニウムの拡散を考慮すると、少なくとも
アルミニウム濃度が30at％を越える組成の粉末が好まし
い。アルミニウム濃度がそれ未満であると、チタン表面
へのアルミニウムの拡散が不充分でTi3Al相が生成せず
満足な表面硬化が得られない。また加熱処理温度域にα
相が存在するため、加熱処理中にTi−Al合金粉末の焼結
が進行し、加熱処理後、チタン材料の表面に付着するTi
−Al合金粉末の除去が困難になる。一方、アルミニウム
濃度が80at％を越えると、低温で液相を生じるため、加
熱処理温度に制約が設けられるので好ましくない。
表面へのアルミニウムの拡散を考慮すると、少なくとも
アルミニウム濃度が30at％を越える組成の粉末が好まし
い。アルミニウム濃度がそれ未満であると、チタン表面
へのアルミニウムの拡散が不充分でTi3Al相が生成せず
満足な表面硬化が得られない。また加熱処理温度域にα
相が存在するため、加熱処理中にTi−Al合金粉末の焼結
が進行し、加熱処理後、チタン材料の表面に付着するTi
−Al合金粉末の除去が困難になる。一方、アルミニウム
濃度が80at％を越えると、低温で液相を生じるため、加
熱処理温度に制約が設けられるので好ましくない。
加熱処理に用いるTi−Al合金粉末の平均粒径として
は、少なくとも30μｍ以下であることが好ましい。例え
ば、平均粒径が50μｍのTi−Al合金粉末を使用して加熱
処理をした場合、処理するチタン材料の表面とTi−Al合
金粉末との接触面積が小さくなるため、Ti−Al合金粉末
中のアルミニウムがチタン材料の表面に拡散しにくくな
り、金属間化合物相の生成が少なく、表面硬度があまり
上昇しない。
は、少なくとも30μｍ以下であることが好ましい。例え
ば、平均粒径が50μｍのTi−Al合金粉末を使用して加熱
処理をした場合、処理するチタン材料の表面とTi−Al合
金粉末との接触面積が小さくなるため、Ti−Al合金粉末
中のアルミニウムがチタン材料の表面に拡散しにくくな
り、金属間化合物相の生成が少なく、表面硬度があまり
上昇しない。
一般に、人の皮膚に対してアレルギーを起こす金属
は、元素として単体で存在している場合よりも金属間化
合物として存在している場合の方がアレルギーを引き起
こす可能性が少ない。たとえばアルミニウムも、単体で
存在するより、他の元素と金属間化合物として存在して
いる方が、アレルギーを引き起こす可能性が少ない。し
たがって、この発明によって、純チタン材料の表面付近
にTi−Al系金属間化合物を形成した表面硬化チタン材料
は、人の皮膚と接触することの多いネックレスやイヤリ
ング等の装飾品、または時計外装品等の材料として好適
である。
は、元素として単体で存在している場合よりも金属間化
合物として存在している場合の方がアレルギーを引き起
こす可能性が少ない。たとえばアルミニウムも、単体で
存在するより、他の元素と金属間化合物として存在して
いる方が、アレルギーを引き起こす可能性が少ない。し
たがって、この発明によって、純チタン材料の表面付近
にTi−Al系金属間化合物を形成した表面硬化チタン材料
は、人の皮膚と接触することの多いネックレスやイヤリ
ング等の装飾品、または時計外装品等の材料として好適
である。
次に、この第１の実施形態の具体的な実施例と、それ
らと効果を比較するための比較例を示す。
らと効果を比較するための比較例を示す。
（実施例１） φ10×1.5mm（直径10mm,高さ1.5mm）の円柱形態の純
チタンの焼結体の表面を0.05μｍの酸化アルミニウム粉
末を研磨剤に用いてバフ研磨し、鏡面化した純チタンの
材料を、平均粒径約10μｍのTi−Al合金粉末（アルミニ
ウムの濃度比率が50at％）にて覆った。
チタンの焼結体の表面を0.05μｍの酸化アルミニウム粉
末を研磨剤に用いてバフ研磨し、鏡面化した純チタンの
材料を、平均粒径約10μｍのTi−Al合金粉末（アルミニ
ウムの濃度比率が50at％）にて覆った。
この状態で、真空雰囲気にした高温炉内にセットし
て、昇温速度10℃/minで加熱し、加熱処理温度800℃に
て２時間保持した後、５℃/minの冷却速度で冷却して、
表面硬化チタン材料を作製した。なお、加熱処理中の雰
囲気圧力は10-4〜10-5Torrである。
て、昇温速度10℃/minで加熱し、加熱処理温度800℃に
て２時間保持した後、５℃/minの冷却速度で冷却して、
表面硬化チタン材料を作製した。なお、加熱処理中の雰
囲気圧力は10-4〜10-5Torrである。
（実施例２） 加熱処理温度を850℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例３） 加熱処理温度を900℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例４） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を40at％に
変えた以外は、実施例１と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例１と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（実施例５） 加熱処理温度を850℃に変えた以外は、実施例４と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例６） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を45at％に
変えた以外は、実施例１と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例１と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（実施例７） 加熱処理温度を850℃に変えた以外は、実施例６と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例８） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を30at％に
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（実施例９） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を70at％に
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（実施例10） Ti−Al合金粉末の平均粒径約30μｍに変えた以外は、
実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製し
た。
実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製し
た。
（比較例１） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を15at％に
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（比較例２） Ti−Al合金粉末のアルミニウムの濃度比率を80at％に
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタ
ン材料を作製した。
（比較例３） Ti−Al合金粉末の平均粒径約50μｍに変えた以外は、
実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製し
た。
実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製し
た。
（比較例４） 加熱処理温度を600℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例５） 加熱処理温度を950℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例６） Ti−Al合金粉末を接触させる前の項面化したチタン焼
結体（表面硬化処理を行なう前のチタン材料）について
も、他の実施例および比較例と同様の測定を行った。
結体（表面硬化処理を行なう前のチタン材料）について
も、他の実施例および比較例と同様の測定を行った。
これらの各実施例１〜10および比較例１〜５にて作製
した表面硬化チタン材料と、比較例６の表面硬化する前
のチタン焼結体の表面硬度を、ビッカース硬度計にて荷
重50gfで測定した。また、全チタン材料の表面をφ0.05
mm×90゜のダイヤモンド端子を装備した引っかき試験機
にて、テーブルの送り速度75mm/min及び荷重50gfで引っ
かき、その引っかき幅を測定した。それらの結果を第１
表１に示す。また、表面硬化チタン材料の表面をＸ線回
折にて測定し、表面生成相を同定した。
した表面硬化チタン材料と、比較例６の表面硬化する前
のチタン焼結体の表面硬度を、ビッカース硬度計にて荷
重50gfで測定した。また、全チタン材料の表面をφ0.05
mm×90゜のダイヤモンド端子を装備した引っかき試験機
にて、テーブルの送り速度75mm/min及び荷重50gfで引っ
かき、その引っかき幅を測定した。それらの結果を第１
表１に示す。また、表面硬化チタン材料の表面をＸ線回
折にて測定し、表面生成相を同定した。
第１表に示す実施例１〜10による表面処理を行うこと
により、比較例１〜６に比べて、表面のビッカース硬さ
の顕著な向上が認められた。また引っかき試験後の引っ
かき幅に関しても、比較例に対して実施例ではいずれも
狭くなっており、表面に傷がつきにくくなっていること
が判る。
により、比較例１〜６に比べて、表面のビッカース硬さ
の顕著な向上が認められた。また引っかき試験後の引っ
かき幅に関しても、比較例に対して実施例ではいずれも
狭くなっており、表面に傷がつきにくくなっていること
が判る。
また、加熱処理温度の上昇に伴なって表面のビッカー
ス硬さは上昇し、引っかき幅が狭くなっていることが認
められる。これは、表面硬化チタン材料表面のＸ線回折
の結果から、Tiより高硬度である金属間化合物Ti3Al相
の生成量が増加したためと考えられる。また実施例９の
表面硬化チタン材料表面のＸ線回折の結果から、Ti3Al
相の他にTiAl相の回折ピークを確認した。
ス硬さは上昇し、引っかき幅が狭くなっていることが認
められる。これは、表面硬化チタン材料表面のＸ線回折
の結果から、Tiより高硬度である金属間化合物Ti3Al相
の生成量が増加したためと考えられる。また実施例９の
表面硬化チタン材料表面のＸ線回折の結果から、Ti3Al
相の他にTiAl相の回折ピークを確認した。
比較例１によるTi−15at％Al合金粉末を使用した場合
には、合金粉末からのAlの拡散が不充分なため、硬度の
上昇がわずかであった。さらに、Ｘ線回折の結果もTi3A
l相は認められず、既にTi−Al合金粉末の焼結が始まっ
ていた。
には、合金粉末からのAlの拡散が不充分なため、硬度の
上昇がわずかであった。さらに、Ｘ線回折の結果もTi3A
l相は認められず、既にTi−Al合金粉末の焼結が始まっ
ていた。
比較例２の合金粉末による表面硬化処理を行なった結
果では、Ti−Al合金粉末のアルミニウム濃度比率が高す
ぎるため、加熱処理によって液相が出現し、表面硬化チ
タン材料のビッカース硬さ試験および引っかき試験を行
うことができなかった。
果では、Ti−Al合金粉末のアルミニウム濃度比率が高す
ぎるため、加熱処理によって液相が出現し、表面硬化チ
タン材料のビッカース硬さ試験および引っかき試験を行
うことができなかった。
比較例３の平均粒径50μｍのTi−50at％Al合金粉末に
よる表面硬化処理を行った場合には、ビッカース硬さは
Hv400を下回り、引っかき幅も表面硬化処理を施してい
ない比較例６と大差なく、充分な耐スクラッチ性を得る
ことができなかった。
よる表面硬化処理を行った場合には、ビッカース硬さは
Hv400を下回り、引っかき幅も表面硬化処理を施してい
ない比較例６と大差なく、充分な耐スクラッチ性を得る
ことができなかった。
比較例４に示すように加熱処理温度600℃で表面硬化
処理を行なうと、Ti3Al相の生成はほとんど認められ
ず、チタン材料表面のビッカース硬さの向上および引っ
かき幅の低下はあまり認められなかった。
処理を行なうと、Ti3Al相の生成はほとんど認められ
ず、チタン材料表面のビッカース硬さの向上および引っ
かき幅の低下はあまり認められなかった。
比較例５に示すように、加熱処理温度を950℃にするT
i−Al合金粉末の焼結が進行し、加熱処理後のチタン材
料表面に付着した合金粉末の除去が困難となり、表面の
ビッカース硬さ試験および引っかき試験ができなかっ
た。
i−Al合金粉末の焼結が進行し、加熱処理後のチタン材
料表面に付着した合金粉末の除去が困難となり、表面の
ビッカース硬さ試験および引っかき試験ができなかっ
た。
なお、上記実施例のいずれにおいても、作成した表面
硬化チタン材料のは引っかき試験後の引っかき痕の観察
により、表面の割れおよび剥離は認められなかった。
硬化チタン材料のは引っかき試験後の引っかき痕の観察
により、表面の割れおよび剥離は認められなかった。
（表面硬化チタン材料の第２の実施形態） この発明による表面硬化チタン材料の第２の実施形態
を第２図に示す。この表面硬化チタン材料１は、第１図
に示した第１の実施形態と同様に、純チタン材料の表面
1a付近にチタン−アルミニウム系金属間化合物（TiAl,T
i3Al等）の複数の異なる相1b〜1eが順次形成されてい
る。但し、この場合は純チタンに対するアルミニウム及
び酸素（Ｏ）の濃度が表面1aから純チタンである内部1f
へ順次傾斜的に低くなるように形成されている。
を第２図に示す。この表面硬化チタン材料１は、第１図
に示した第１の実施形態と同様に、純チタン材料の表面
1a付近にチタン−アルミニウム系金属間化合物（TiAl,T
i3Al等）の複数の異なる相1b〜1eが順次形成されてい
る。但し、この場合は純チタンに対するアルミニウム及
び酸素（Ｏ）の濃度が表面1aから純チタンである内部1f
へ順次傾斜的に低くなるように形成されている。
この表面硬化チタン材料によっても、前述の第１の実
施形態の表面硬化チタン材料と同様に表面硬度が飛躍的
に向上する。さらに、酸素による固溶硬化が加わること
により硬度が一層高まる。また、その表面付近の材質が
急激に変化していないので、表面が剥離を起こすような
ことがない。
施形態の表面硬化チタン材料と同様に表面硬度が飛躍的
に向上する。さらに、酸素による固溶硬化が加わること
により硬度が一層高まる。また、その表面付近の材質が
急激に変化していないので、表面が剥離を起こすような
ことがない。
また、表面にTiあるいはAlが元素として単体で存在せ
ず、金属間化合物として存在しているため、金属アレル
ギーを引き起こす可能性が少ない。そのため、人の皮膚
と接触することの多いネックレスやイヤリング等の装飾
品（装身具）、または時計外装品等の材料として好適で
ある。
ず、金属間化合物として存在しているため、金属アレル
ギーを引き起こす可能性が少ない。そのため、人の皮膚
と接触することの多いネックレスやイヤリング等の装飾
品（装身具）、または時計外装品等の材料として好適で
ある。
〔チタン材料の表面硬化方法の第２の実施形態〕 この発明によるチタン材料の表面硬化方法の第２の実
施形態は、純チタン材料の表面に酸化アルミニウム（Al
2O3）粉末のみを接触させて加熱することにより、酸化
アルミニウム粉末中のアルミニウムおよび酸素がチタン
材料の表面から内部に傾斜的に拡散し、それによるアル
ミニウムと酸素の固溶硬化を生じ、表面硬度を向上させ
る。
施形態は、純チタン材料の表面に酸化アルミニウム（Al
2O3）粉末のみを接触させて加熱することにより、酸化
アルミニウム粉末中のアルミニウムおよび酸素がチタン
材料の表面から内部に傾斜的に拡散し、それによるアル
ミニウムと酸素の固溶硬化を生じ、表面硬度を向上させ
る。
さらに、加熱処理温度を上昇させるかあるいは加熱処
理時間を延長させることにより、表面近傍のアルミニウ
ム濃度が上昇すると、アルミニウムのTi中への固溶状態
から、金属間化合物であるTi3AlおよびTiAl相等が生成
し、硬度を飛躍的に上昇させることができる。すなわ
ち、上述した第２図に示した第２実施形態の表面硬化チ
タン材料１を得ることができる。
理時間を延長させることにより、表面近傍のアルミニウ
ム濃度が上昇すると、アルミニウムのTi中への固溶状態
から、金属間化合物であるTi3AlおよびTiAl相等が生成
し、硬度を飛躍的に上昇させることができる。すなわ
ち、上述した第２図に示した第２実施形態の表面硬化チ
タン材料１を得ることができる。
ここで、酸化アルミニウム粉末の代わりに酸素を含ま
ないアルミニウム粉末を接触させた場合には、アルミニ
ウム粉末の融点は約660℃と比較的低いために、加熱処
理温度に制約が設けられ、充分な硬化層を得ることがで
きない。
ないアルミニウム粉末を接触させた場合には、アルミニ
ウム粉末の融点は約660℃と比較的低いために、加熱処
理温度に制約が設けられ、充分な硬化層を得ることがで
きない。
また、アルミニウム粉末の融点以上の温度で加熱処理
した場合には、加熱処理後の溶融したアルミニウムを表
面硬化チタン材料から除去するのが非常に困難であり、
この発明の目的を達成することはできない。
した場合には、加熱処理後の溶融したアルミニウムを表
面硬化チタン材料から除去するのが非常に困難であり、
この発明の目的を達成することはできない。
従って、融点の高い酸化アルミニウム粉末を使用する
ことにより、アルミニウムの液相拡散反応を回避し、ア
ルミニウムの固相拡散反応をより高温下で実現すること
により、硬度上昇を促進することが可能になる。
ことにより、アルミニウムの液相拡散反応を回避し、ア
ルミニウムの固相拡散反応をより高温下で実現すること
により、硬度上昇を促進することが可能になる。
また、α安定化元素であるアルミニウムは、鉄，ニオ
ブ，クロムなどのβ安定化元素に比べて、容易に金属間
化合物相を形成しやすい。
ブ，クロムなどのβ安定化元素に比べて、容易に金属間
化合物相を形成しやすい。
加熱処理温度としては、使用する酸化アルミニウム粉
末の結晶開始温度以下であることが好ましいが、この焼
結開始温度は酸化アルミニウム粉末の粒径の大きさによ
り変化するので、加熱処理の温度は適時決定する。
末の結晶開始温度以下であることが好ましいが、この焼
結開始温度は酸化アルミニウム粉末の粒径の大きさによ
り変化するので、加熱処理の温度は適時決定する。
この実施形態で使用する酸化アルミニウム粉末の粒径
（後述する）では、加熱処理温度が800℃以上900℃以下
であることが好ましい。800℃以下での加熱処理では、
チタン材料の表面へのアルミニウムの拡散移動が不充分
となり、Ti3Al相がほとんど生成しない。また、加熱処
理温度が900℃を越えると、酸化アルミニウム粉末の焼
結が進行する確率が高くなり、加熱処理後の酸化アルミ
ニウム粉末の除去に苦慮することになる。
（後述する）では、加熱処理温度が800℃以上900℃以下
であることが好ましい。800℃以下での加熱処理では、
チタン材料の表面へのアルミニウムの拡散移動が不充分
となり、Ti3Al相がほとんど生成しない。また、加熱処
理温度が900℃を越えると、酸化アルミニウム粉末の焼
結が進行する確率が高くなり、加熱処理後の酸化アルミ
ニウム粉末の除去に苦慮することになる。
また、加熱処理時の雰囲気としては、減圧雰囲気およ
びアルゴン又はヘリウムガス等の不活性雰囲気であるこ
とが好ましい。さらに、減圧時のバックグラウンドガス
およびアルゴン又はヘリウムガス等は、露点が一定に制
御されたガスを用いることが好ましい。ガスの露点が一
定でない場合には、チタン材料への酸素の移動量を一定
にすることが困難になり、一定の表面硬度を有する製品
を得ることが工業的に困難になるからである。
びアルゴン又はヘリウムガス等の不活性雰囲気であるこ
とが好ましい。さらに、減圧時のバックグラウンドガス
およびアルゴン又はヘリウムガス等は、露点が一定に制
御されたガスを用いることが好ましい。ガスの露点が一
定でない場合には、チタン材料への酸素の移動量を一定
にすることが困難になり、一定の表面硬度を有する製品
を得ることが工業的に困難になるからである。
加熱処理に用いる酸化アルミニウム粉末の平均粒径と
しては、0.1μｍ以上50μｍ以下であることが好まし
い。さらに、同じ平均粒径でも粒度分布の半値幅が広い
方が好ましく、さらに好ましくは、粒度分布が正規分布
に近い分布であることが好ましい。
しては、0.1μｍ以上50μｍ以下であることが好まし
い。さらに、同じ平均粒径でも粒度分布の半値幅が広い
方が好ましく、さらに好ましくは、粒度分布が正規分布
に近い分布であることが好ましい。
平均粒径が50μｍ以上の酸化アルミニウム粉末を用い
て加熱処理した場合には、処理するチタン材料表面と酸
化アルミニウム粉末との接触面積が小さくなり、酸化ア
ルミニウム粉末中のアルミニウムがチタン材料表面に拡
散しにくくなるため、金属間化合物相の生成が少なく、
硬度を均一に上昇させることが困難になる。
て加熱処理した場合には、処理するチタン材料表面と酸
化アルミニウム粉末との接触面積が小さくなり、酸化ア
ルミニウム粉末中のアルミニウムがチタン材料表面に拡
散しにくくなるため、金属間化合物相の生成が少なく、
硬度を均一に上昇させることが困難になる。
また、平均粒径が0.1μｍ以下の酸化アルミニウム粉
末を用いて加熱処理した場合には、かさ密度が増加し、
チタン材料表面と酸化アルミニウム粉末との間に処理雰
囲気（空隙）ができ、処理するチタン材料表面と酸化ア
ルミニウム粉末との接触面積がやはり小さくなり、酸化
アルミニウム粉末中のアルミニウムがチタン材料表面に
拡散しにくくなるため、金属間化合物相の生成が少な
く、硬度を均一に上昇させることが困難になる。
末を用いて加熱処理した場合には、かさ密度が増加し、
チタン材料表面と酸化アルミニウム粉末との間に処理雰
囲気（空隙）ができ、処理するチタン材料表面と酸化ア
ルミニウム粉末との接触面積がやはり小さくなり、酸化
アルミニウム粉末中のアルミニウムがチタン材料表面に
拡散しにくくなるため、金属間化合物相の生成が少な
く、硬度を均一に上昇させることが困難になる。
この回避策としては、チタン材料表面に存在する粉末
を一定圧力により圧粉し、接触面積を増大させることに
より、チタン材料表面へのアルミニウムの拡散を促進す
ることは可能であるが、工業的手法としては処理工数の
増加を招き得策ではない。
を一定圧力により圧粉し、接触面積を増大させることに
より、チタン材料表面へのアルミニウムの拡散を促進す
ることは可能であるが、工業的手法としては処理工数の
増加を招き得策ではない。
次に、この第２の実施形態の具体的な実施例と、それ
らと効果を比較するための比較例を示す。
らと効果を比較するための比較例を示す。
（実施例１） φ10×1.5mm（直径10mm,高さ1.5mm）の円柱形状の純
チタンの材料の表面を0.05μｍの酸化アルミニウム粉末
を研磨剤に用いてバフ研磨し、鏡面化した純チタンの材
料を、平均粒径１μｍの酸化アルミニウム（Al2O3）粉
末で覆った。
チタンの材料の表面を0.05μｍの酸化アルミニウム粉末
を研磨剤に用いてバフ研磨し、鏡面化した純チタンの材
料を、平均粒径１μｍの酸化アルミニウム（Al2O3）粉
末で覆った。
この状態で高温炉内にセットし、減圧雰囲気にした
後、昇温速度10℃/minで加熱し、加熱処理温度800℃に
て２時間保持した後、５℃/minの冷却速度で冷却して、
表面硬化チタン材料を作製した。なお、加熱処理中の雰
囲気圧力は10-4〜10-5Torrで制御した。
後、昇温速度10℃/minで加熱し、加熱処理温度800℃に
て２時間保持した後、５℃/minの冷却速度で冷却して、
表面硬化チタン材料を作製した。なお、加熱処理中の雰
囲気圧力は10-4〜10-5Torrで制御した。
（実施例２） 加熱処理温度を850℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例３） 加熱処理温度を900℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例４） 加熱処理時間（加熱処理温度に保持する時間）を４時
間に変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化
チタン材料を作製した。
間に変えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化
チタン材料を作製した。
（実施例５） 加熱処理時間を８時間に変えた以外は、実施例２と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（実施例６） 酸化アルミニウム粉末を平均粒径0.5μｍのものに変
えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン
材料を作製した。
えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン
材料を作製した。
（実施例７） 酸化アルミニウム粉末を平均粒径20μｍのものに変え
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
（実施例８） 酸化アルミニウム粉末を平均粒径38μｍのものに変え
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
（実施例９） 平均粒径0.06μｍの酸化アルミニウム粉末と実施例１
で用いた平均粒径１μｍの酸化アルミニウム粉末とを混
合し、実施例６で用いた平均粒径0.5μｍの酸化アルミ
ニウム粉末に比べて粒度分布の半値幅が広い、平均粒径
0.5μｍの酸化アルミニウム粉末を使用した以外は実施
例６と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
で用いた平均粒径１μｍの酸化アルミニウム粉末とを混
合し、実施例６で用いた平均粒径0.5μｍの酸化アルミ
ニウム粉末に比べて粒度分布の半値幅が広い、平均粒径
0.5μｍの酸化アルミニウム粉末を使用した以外は実施
例６と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例１） 加熱処理温度を600℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例２） 加熱処理温度を950℃に変えた以外は、実施例１と同
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例３） 酸化アルミニウム粉末を平均粒径0.06μｍのものに変
えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン
材料を作製した。
えた以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン
材料を作製した。
（比較例４） 酸化アルミニウム粉末を平均粒径53μｍのものに変え
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
た以外は、実施例２と同様に行ない、表面硬化チタン材
料を作製した。
（比較例５） 加熱処理雰囲気を大気雰囲気に変えた以外は、実施例
２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
２と同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例６） 酸化アルミニウム粉末を用いない以外は、実施例２と
同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
同様に行ない、表面硬化チタン材料を作製した。
（比較例７） 酸化アルミニウム粉末で覆って熱処理する前の鏡面化
したチタン焼結体（未処理のチタン材料）についても、
他の実施例および比較例と同様の測定を行った。
したチタン焼結体（未処理のチタン材料）についても、
他の実施例および比較例と同様の測定を行った。
これらの各実施例１〜９および比較例１〜６にて作製
した表面硬化チタン材料と、比較例７の表面硬化する前
のチタン材料の表面硬度を、ビッカース硬度計にて荷重
50gfで測定した。同時に、全チタン材料の表面性状を観
察した。
した表面硬化チタン材料と、比較例７の表面硬化する前
のチタン材料の表面硬度を、ビッカース硬度計にて荷重
50gfで測定した。同時に、全チタン材料の表面性状を観
察した。
また、全チタン材料の表面をφ0.05mm×90゜のダイヤ
モンド端子を装備した引っかき試験機にて、テーブルの
送り速度75mm/min及び荷重50gfで引っかき、その引っか
き幅を測定した。
モンド端子を装備した引っかき試験機にて、テーブルの
送り速度75mm/min及び荷重50gfで引っかき、その引っか
き幅を測定した。
それらの結果を第２表に示す。また、全チタン材料の
表面をＸ線回折にて測定し、表面生成相を同定した。
表面をＸ線回折にて測定し、表面生成相を同定した。
第２表の実施例１〜３に示す通り、加熱処理温度の上
昇に伴なって表面のビッカース硬さが向上し、それに対
応して引っかき試験後の引っかき幅も狭くなり、比較例
７に示す未処理品に比べ、表面の傷つきやすさが大幅に
改良され、傷つきにくい表面になることが判る。
昇に伴なって表面のビッカース硬さが向上し、それに対
応して引っかき試験後の引っかき幅も狭くなり、比較例
７に示す未処理品に比べ、表面の傷つきやすさが大幅に
改良され、傷つきにくい表面になることが判る。
加熱処理温度の上昇による表面硬度の上昇および引っ
かき幅の低下の理由は、表面硬化チタン材料表面のＸ線
回折の結果から考察すると、チタンより高硬度である金
属間化合物のTi3Al相の生成量が増加したためと考えら
れる。
かき幅の低下の理由は、表面硬化チタン材料表面のＸ線
回折の結果から考察すると、チタンより高硬度である金
属間化合物のTi3Al相の生成量が増加したためと考えら
れる。
また、実施例2,4,および５に示す通り、加熱処理温度
850℃での加熱処理時間の延長に伴ない、表面のビッカ
ース硬さが向上し、それに対応して引っかき試験後の引
っかき幅も狭くなり、傷つきにくい表面になることが判
る。
850℃での加熱処理時間の延長に伴ない、表面のビッカ
ース硬さが向上し、それに対応して引っかき試験後の引
っかき幅も狭くなり、傷つきにくい表面になることが判
る。
これも表面硬化チタン材料表面のＸ線回折の結果か
ら、チタンより高硬度である金属間化合物のTi3Al相の
生成量が増加したためと考えられる。また、実施例３お
よび５の表面硬化チタン材料表面のＸ線回折の結果か
ら、Ti3Al相の他にTiAl相の回折ピークが確認されてお
り、加熱処理温度の上昇および加熱処理時間の延長によ
り、Ti3Al相とTiAl相の生成による効果的な表面硬化が
達成されることが判る。
ら、チタンより高硬度である金属間化合物のTi3Al相の
生成量が増加したためと考えられる。また、実施例３お
よび５の表面硬化チタン材料表面のＸ線回折の結果か
ら、Ti3Al相の他にTiAl相の回折ピークが確認されてお
り、加熱処理温度の上昇および加熱処理時間の延長によ
り、Ti3Al相とTiAl相の生成による効果的な表面硬化が
達成されることが判る。
一方、実施例１〜３に対する比較例１および２との比
較から判る通り、加熱処理温度が低い場合には目的とす
る表面硬化を達成することは困難になる。また、加熱処
理温度が高くなり過ぎ、用いる酸化アルミニウム粉末の
焼結開始温度を超えた場合には、酸化アルミニウム粉末
の焼結の進行により、加熱処理後のチタン材料表面に酸
化アルミニウム粉末が単一粒子または凝集粒子として付
着し、これらの粉末の除去が困難になる。そのため、表
面のビッカース硬さ試験および引っかき試験をすること
ができなかった。
較から判る通り、加熱処理温度が低い場合には目的とす
る表面硬化を達成することは困難になる。また、加熱処
理温度が高くなり過ぎ、用いる酸化アルミニウム粉末の
焼結開始温度を超えた場合には、酸化アルミニウム粉末
の焼結の進行により、加熱処理後のチタン材料表面に酸
化アルミニウム粉末が単一粒子または凝集粒子として付
着し、これらの粉末の除去が困難になる。そのため、表
面のビッカース硬さ試験および引っかき試験をすること
ができなかった。
これらの結果から、加熱処理温度は用いる酸化アルミ
ニウム粉末の焼結開始温度以下が好ましく、さらにに好
ましくは、800℃〜900℃で効率よく目的とする表面硬化
を達成できることが判る。
ニウム粉末の焼結開始温度以下が好ましく、さらにに好
ましくは、800℃〜900℃で効率よく目的とする表面硬化
を達成できることが判る。
次に、実施例２および実施例６〜８に示す通り、平均
粒径50μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用いて850℃
で２時間の加熱処理をすることにより、表面のビッカー
ス硬度をHv500以上に上昇させ、目的とする表面硬化を
達成できることがわかる。
粒径50μｍ以下の酸化アルミニウム粉末を用いて850℃
で２時間の加熱処理をすることにより、表面のビッカー
ス硬度をHv500以上に上昇させ、目的とする表面硬化を
達成できることがわかる。
これらに対して、比較例３に示す通り、平均粒径が0.
06μｍの酸化アルミニウム粉末を用いた場合には、表面
の硬度上昇が部分的に達成されるものの均一に表面の硬
度を上昇させることが困難になり、表面のビッカース硬
度の平均値としては低下することが判る。
06μｍの酸化アルミニウム粉末を用いた場合には、表面
の硬度上昇が部分的に達成されるものの均一に表面の硬
度を上昇させることが困難になり、表面のビッカース硬
度の平均値としては低下することが判る。
また、比較例４に示す通り、平均粒径が50μｍ以上
（53μｍ）の酸化アルミニウム粉末を用いた場合には、
表面の硬度上昇が比較例３の場合に比べてより一層部分
的に達成されるため、均一の表面の硬度を上昇させるこ
とが困難になることが判った。
（53μｍ）の酸化アルミニウム粉末を用いた場合には、
表面の硬度上昇が比較例３の場合に比べてより一層部分
的に達成されるため、均一の表面の硬度を上昇させるこ
とが困難になることが判った。
これらの結果より、用いる酸化アルミニウム粉末の平
均粒径は50μｍ以下が好ましく、さらにに好ましくは0.
1μｍ以上50μｍ以下であることが判る。
均粒径は50μｍ以下が好ましく、さらにに好ましくは0.
1μｍ以上50μｍ以下であることが判る。
さらに、実施例６に対する実施例９の比較例により、
用いる酸化アルミニウム粉末の平均粒径が同等でも、粒
度分布が正規分布で平均粒径0.06μｍの酸化アルミニウ
ム粉末と粒度分布が正規分布で平均粒径１μｍの酸化ア
ルミニウム粉末とを混合調整して、平均粒径0.5μｍと
した粒度分布の半値幅が広い酸化アルミニウム粉末を用
いることにより、より効率的に表面の硬度上昇を達成で
きることがわかる。
用いる酸化アルミニウム粉末の平均粒径が同等でも、粒
度分布が正規分布で平均粒径0.06μｍの酸化アルミニウ
ム粉末と粒度分布が正規分布で平均粒径１μｍの酸化ア
ルミニウム粉末とを混合調整して、平均粒径0.5μｍと
した粒度分布の半値幅が広い酸化アルミニウム粉末を用
いることにより、より効率的に表面の硬度上昇を達成で
きることがわかる。
比較例５に示す通り、加熱処理雰囲気が大気雰囲気の
場合には、雰囲気中の酸素による表面酸化反応が顕著に
進行し、チタン材料の表面に酸化スケール層が形成さ
れ、表面の硬度上昇は達成されるものの、引っかき試験
後の引っかき痕の観察より、表面硬化層の変色、割れお
よび剥離が認められ、実施例２の結果とは異なりこの発
明の目的を達成できないことが判る。
場合には、雰囲気中の酸素による表面酸化反応が顕著に
進行し、チタン材料の表面に酸化スケール層が形成さ
れ、表面の硬度上昇は達成されるものの、引っかき試験
後の引っかき痕の観察より、表面硬化層の変色、割れお
よび剥離が認められ、実施例２の結果とは異なりこの発
明の目的を達成できないことが判る。
この結果から、この発明の目的達成のためには加熱処
理雰囲気が、減圧雰囲気あるいは、アルゴン又はヘリウ
ムガスなどの不活性雰囲気であることが好ましいことが
わかる。
理雰囲気が、減圧雰囲気あるいは、アルゴン又はヘリウ
ムガスなどの不活性雰囲気であることが好ましいことが
わかる。
また、比較例６に示す通り、酸化アルミニウム粉末を
用いずに、単に不活性雰囲気下で加熱処理した場合に
は、比較例７の結果に比べて僅かに表面の硬度上昇が認
められるが、実施例２の結果と同等な表面の硬度上昇が
達成できないことがわかる。この結果から、この発明の
目的を達成するためには、アルミニウムおよび酸素の供
給源である酸化アルミニウム粉末が必要であることが判
る。
用いずに、単に不活性雰囲気下で加熱処理した場合に
は、比較例７の結果に比べて僅かに表面の硬度上昇が認
められるが、実施例２の結果と同等な表面の硬度上昇が
達成できないことがわかる。この結果から、この発明の
目的を達成するためには、アルミニウムおよび酸素の供
給源である酸化アルミニウム粉末が必要であることが判
る。
実施例１〜９のいずれによって作成した表面硬化チタ
ン材料においても、引っかき試験後引っかき痕の観察に
より、表面の割れや剥離は一切認められなかった。
ン材料においても、引っかき試験後引っかき痕の観察に
より、表面の割れや剥離は一切認められなかった。
産業上の利用分野 この発明による表面硬化方法によって作製された表面
硬化チタン材料は、耐磨耗性および耐スクラッチ性に優
れた硬質の表面を有する。
硬化チタン材料は、耐磨耗性および耐スクラッチ性に優
れた硬質の表面を有する。
特に、表面付近にのみにTi−Al系金属間化合物が形成
され、内部が純チタンであるため、単なるTi−Al合金粉
末と比較すると靭性に優れている。また、表面に酸化被
膜ではなく、Ti−Al系金属間化合物がAlの濃度勾配をも
って形成されているので金属特有の色合いを損ねること
無く、表面が剥離することもない。また、その表面が直
接人の皮膚に触れても金属アレルギーを起こしにくい。
され、内部が純チタンであるため、単なるTi−Al合金粉
末と比較すると靭性に優れている。また、表面に酸化被
膜ではなく、Ti−Al系金属間化合物がAlの濃度勾配をも
って形成されているので金属特有の色合いを損ねること
無く、表面が剥離することもない。また、その表面が直
接人の皮膚に触れても金属アレルギーを起こしにくい。
そのため、各種の金属製品の材料に用いることによ
り、その優れた外観品質を長期間保つことができる。特
に、人が身につける装飾品や腕時計等の時計の外装品
（ケース）に用いることによって、傷がつきにくく、人
の皮膚に対して低アレルギーな製品を提供できる。
り、その優れた外観品質を長期間保つことができる。特
に、人が身につける装飾品や腕時計等の時計の外装品
（ケース）に用いることによって、傷がつきにくく、人
の皮膚に対して低アレルギーな製品を提供できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石山 康太郎 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シチズン時計株式会社技術研究所 (56)参考文献 特開 平３−219065（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−181005（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−249168（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 10/28
Claims (7)
- 【請求項１】純チタン材料の表面付近に、表面から内部
へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２の
相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiからなる第４の
相の順に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が順次
傾斜的に低くなるように形成されていることを特徴とす
る表面硬化チタン材料。 - 【請求項２】純チタン材料の表面にチタン−アルミニウ
ム合金粉末のみを接触させて加熱処理し、前記純チタン
材料の表面付近に、表面から内部へTiAlからなる第１の
相、TiAlとTi3Alからなる第２の相、Ti3Alからなる第３
の相、Ti3AlとTiからなる第４の相を順に、純チタンに
対するアルミニウムの濃度が順次傾斜的に低くなるよう
に形成することを特徴とするチタン材料の表面硬化方
法。 - 【請求項３】純チタン材料の表面に接触させるチタン−
アルミニウム合金粉末が、30at％Al以上70at％Al以下で
ある請求の範囲第２項に記載のチタン材料の表面硬化方
法。 - 【請求項４】純チタン材料の表面に接触させるチタン−
アルミニウム合金粉末の平均粒径が、30μｍ以下である
請求の範囲第２項に記載のチタン材料の表面硬化方法。 - 【請求項５】純チタン材料の表面付近に、表面から内部
へTiAlからなる第１の相、TiAlとTi3Alからなる第２の
相、Ti3Alからなる第３の相、Ti3AlとTiからなる第４の
相の順に、純チタンに対するアルミニウムの濃度が順次
傾斜的に低くなるように形成され、酸素の濃度も前記表
面から内部へ順次傾斜的に低くなるように形成されてい
ることを特徴とする表面硬化チタン材料。 - 【請求項６】純チタン材料の表面に酸化アルミニウム
（Al2O3）粉末のみを接触させて加熱処理し、前記チタ
ン材料の表面付近に、表面から内部へTiAlからなる第１
の相、TiAlとTi3Alからなる第２の相、Ti3Alからなる第
３の相、Ti3AlとTiからなる第４の相を順に、純チタン
に対するアルミニウムの濃度が順次傾斜的に低くなるよ
うに形成し、酸素の濃度も前記表面から内部へ順次傾斜
的に低くなるように形成することを特徴とするチタン材
料の表面硬化方法。 - 【請求項７】純チタン材料の表面に接触させる酸化アル
ミニウム粉末の平均粒径が、0.1μｍ以上50μｍ以下で
ある請求の範囲第７項に記載のチタン材料の表面硬化方
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